DE102011009810A1

DE102011009810A1 - Lösung für optische Einschränkungen bei der Mikrofachwerkverarbeitung

Info

Publication number: DE102011009810A1
Application number: DE201110009810
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: US20130057842A1; US9104111B2; US8367307B2; US20110195361A1; DE102011009810B4; CN102147498A

Abstract

Es ist ein System zur Herstellung einer strahlengehärteten Struktur vorgesehen. Das System umfasst ein strahlungsempfindliches Material mit einem ersten Brechungsindex; eine Maske, die aus einem Maskenmaterial mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist; und eine Strahlenquelle. Die Maske ist zwischen der Strahlenquelle und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet und weist eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen auf. Die Strahlenquelle ist ausgebildet, um Strahlenbündel zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen. Das System umfasst a) zumindest eine normalisierende Fläche, die zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet ist, und/oder b) ein brechendes Fluid mit einem dritten Brechungsindex, das zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet ist, und/oder c) das brechende Fluid mit dem dritten Brechungsindex, das zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet ist. Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung der strahlengehärteten Struktur vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenlegung betrifft eine Herstellung von strahlengehärteten Strukturen und im Spezielleren ein Verfahren zur Herstellung eines strahlengehärteten Mikrofachwerks.
Hintergrund der Erfindung
Durch Photopolymerisation gebildete Mikrofachwerkstrukturen wurden von Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed from self-propagating truss elements", Acta Materialia 55, (2007) 6724–6733 beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Ein Verfahren und System zum Erzeugen von Polymermaterialien mit geordneten Mikrofachwerkstrukturen sind von Jacobsen in der US-Pat.-Nr. 7 382 959 offenbart, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Durch das Verfahren und System produzierte Mikrofachwerkmaterialien sind ferner von Jacobsen in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801 908 offenbart, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Ein Polymermaterial, das Strahlen ausgesetzt ist und eine Selbstfokussierung oder ein „Self-Trapping” des Lichts durch Bildung von Fachwerkelementen zur Folge hat ist auch von Kewitsch et al. in der US-Patent-Nr. 6 274 288 beschrieben, dessen vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Wie in 1 gezeigt, können die bekannten Systeme zur Herstellung von Mikrofachwerkstrukturen zumindest eine Quelle 100 kollimierten Lichts, die ausgewählt ist, um einen kollimierten Lichtstrahl 102 zu produzieren; ein Reservoir 104 mit einem Photomonomer 106, das geeignet ist, durch den kollimierten Lichtstrahl 102 polymerisiert zu werden; und eine Maske 108 mit zumindest einer Durchbrechung 110, die zwischen der zumindest einen Quelle 100 kollimierten Lichts und dem Reservoir 104 positioniert ist, umfassen. Die Quelle 100 kollimierten Lichts ist allgemein eine Quecksilberdampflampe, die ausgebildet ist, um kollimierte Ultraviolett (UV)-Lichtstrahlen unter einem gewünschten Winkel zu produzieren. Die Maske ist typischerweise auf einer Schicht aus Quarzglas 112 gebildet. Eine Lichtbegrenzung 114 ist zwischen dem Quarzglas 112 und der Luft und dem Quarzglas 112 und dem Photomonomer 106 auf Grund der Differenzen im Brechungsindex zwischen den jeweiligen Medien vorhanden. Die zumindest eine Durchbrechung 110 ist geeignet, einen Teil des kollimierten Lichtstrahls 102 in das Photomonomer 106 zu leiten, um das zumindest eine Fachwerkelement 116 durch einen Teil eines Volumens des Photomonomers 106 hindurch zu bilden. Mehrere Fachwerkelemente können gleichzeitig aus einem einzigen kollimierten Lichtstrahl 102 gebildet werden, der entlang eines Weges von der Lichtquelle 100 durch die Maske 108 und das Quarzglas 112 hindurch und in das Reservoir 104 des Photomonomers 106 hinein fällt.
Die Bildung von Mikrofachwerkstrukturen aus den bekannten Verfahren war jedoch durch ein optisches Phänomen eingeschränkt, das als Snellius'sches Gesetz bekannt ist. Das Snellius'sche Gesetz besagt, dass das Verhältnis der Sinusse der Einfalls- und Brechungswinkel gleich dem entgegengesetzten Verhältnis der Brechungsindizes ist. Das Snellius'sche Gesetz kann z. B. dargestellt werden als: n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ wobei n₁ und n₂ das erste und das zweite Medium bezeichnen und die Einfalls- und Brechungswinkel in Bezug auf die Normale zu der Grenzfläche zwischen den Medien gemessen werden. Eine ähnliche Anwendung des Snellius'schen Gesetzes auf ein drittes und ein viertes Medium kann dargestellt werden als: n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ = n₃sinθ₃ = n₄sinθ₄
Für einen gegebenen Satz von Indizes, für die n₂ < n₁ gilt, gibt es einen Grenzwinkel θ₂, welcher der physikalischen Grenze für den Einfallswinkel θ₁ von 90 Grad (parallel zu der Grenzfläche) entspricht. Für den Fall, dass Licht von der Luft in ein Quarzglasmaskensubstrat fällt, betragen die Indizes 1,0003 bzw. 1,46, wobei der Grenzwinkel in dem Glassubstrat 43 Grad beträgt, wie durch Lösen nach θ₂ in der Gleichung bestimmt, n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂.
Nach dem Snellius'schen Gesetz ist der Brechungswinkel (θ) größer als der Einfallswinkel (α) und die Mikrofachwerkelemente 16 mit erwünscht großen Brechungswinkeln (θ) können mithilfe herkömmlicher Mittel, wo die Begrenzung 114 zwischen der Luft und dem Quarzglas 112 vorhanden ist, nicht geschaffen werden.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 1 ist ein praktisches Beispiel mit einem Einfallswinkel (α) von etwa 68 Grad gezeigt. Der Brechungswinkel (θ) in dem Quarzglas 112 beträgt etwa 40 Grad oder nur um 3 Grad weniger als die theoretische Grenze von 43°. Da die Flächen des Quarzglases 112 in 1 parallel sind, beträgt der Einfallswinkel (α), wenn der kollimierte Lichtstrahl 102 aus dem Quarzglas 112 austritt, ebenfalls etwa 40 Grad. Wenn der kollimierte Lichtstrahl 102 mit einem Index von etwa 1,51 in das Photomonomer 106 hinein fortschreitet, beträgt der resultierende Brechungswinkel (θ) etwa 38 Grad.
Es besteht fortgesetzter Bedarf an einem System und Verfahren zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen mit Mikrofachwerkelementen, die unter Winkeln von mehr als etwa 45°, und insbesondere unter Winkeln von mehr als etwa 6°, in Bezug auf die Normale zu der Brechungsgrenzfläche angeordnet sind. Es ist wünschenswert, dass das System und das Verfahren die Herstellung von strahlengehärteten Strukturmerkmalen mit großen Winkeln einschließlich Mikrofachwerkstrukturen ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurden überraschenderweise ein System und ein Verfahren zur Herstellung von strahlengehärteten Strukturen mit Mikrofachwerkelementen, die unter Winkeln von mehr als etwa 45°, und insbesondere unter Winkeln von mehr als etwa 60°, in Bezug auf die Normale zu der Brechungsgrenzfläche angeordnet sind, entdeckt, welche die Herstellung von strahlengehärteten Strukturmerkmalen mit großen Winkeln einschließlich Mikrofachwerkstrukturen ermöglichen.
In einer ersten Ausführungsform umfasst ein System zur Herstellung einer strahlengehärteten Struktur ein strahlungsempfindliches Material mit einem ersten Brechungsindex, eine Maske, die aus einem Maskenmaterial mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, und eine Strahlenquelle.
Die Maske ist zwischen dem strahlungsempfindlichen Material und der Strahlenquelle angeordnet. Die Maske weist eine Vielzahl von darin gebildeten im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen auf. Die Strahlenquelle ist ausgebildet, um Strahlenbündel zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen und/oder zu zersetzen. Das System umfasst a) zumindest eine normalisierende Fläche, die zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet ist, und/oder b) ein brechendes Fluid mit eifern dritten Brechungsindex, das zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet ist, und/oder c) das brechende Fluid mit dem dritten Brechungsindex, das zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System das strahlungsempfindliche Material mit dem ersten Brechungsindex, die Strahlenquelle und die Maske mit dem zweiten Brechungsindex. Das brechende Fluid mit dem dritten Brechungsindex ist zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet. Auch ist ein Prisma mit zumindest einer normalisierenden Fläche zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer strahlengehärteten Struktur die Schritte, dass: ein strahlungsempfindliches Material mit einem ersten Brechungsindex, eine Maske mit einer Vielzahl von darin gebildeten, im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen, wobei die Maske aus einem Maskenmaterial mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, und eine Strahlenquelle, die ausgebildet ist, um Strahlenbündel zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen und/oder zu zersetzen, vorgesehen werden; die Maske zwischen dem strahlungsempfindlichen Material und der Strahlenquelle angeordnet wird; a) zumindest eine normalisierende Fläche zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet wird, und/oder b) ein brechendes Fluid mit einem dritten Brechungsindex zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet wird, und/oder c) das brechende Fluid mit dem dritten Brechungsindex zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet wird, und die strahlungsempfindlichen Materialien einer Vielzahl von Strahlenbündeln durch die strahlendurchlässigen Durchbrechungen in der Maske hindurch ausgesetzt werden. Dadurch wird die strahlengehärtete Struktur gebildet.
Zeichnungen
Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin beschriebenen Zeichnungen, offensichtlich.
1 ist eine schematische seitliche Schnittansicht und eine Draufsicht, welche ein System nach dem Stand der Technik zum Bilden von strahlengehärteten Strukturen zeigen;
2 ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung, welche ein neben einer Maske angeordnetes Prisma zeigt;
3 ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung, welche eine Maske und ein in einem Reservoir eines brechenden Fluids eingetauchtes strahlungsempfindliches Material zeigt;
4 ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines Systems mit einer facettierten Maske, die neben einem strahlungsempfindlichen Material angeordnet ist;
5 ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines Systems mit einem dazwischen tretenden brechenden Fluid zwischen einer Maske und einem strahlungsempfindlichen Material;
6 ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines alternativen Systems gemäß der vorliegenden Offenlegung mit dem Prisma, wie in 2 gezeigt, und dem dazwischen tretenden brechenden Fluid, wie in 5 gezeigt;
7 ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines Systems mit dem Prisma von 2, und einem Reservoir von dem brechenden Fluid, wie in 3 gezeigt;
8 ist eine schematische Veranschaulichung eines Systems mit der facettierten Maske, wie in 4 gezeigt, und dem dazwischen tretenden brechenden Fluid, wie in 5 gezeigt; und
9 ist eine schematische Veranschaulichung eines Systems, wie in einer beispielhaften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenlegung beschrieben.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die angegebenen Schritte von beispielhafter Natur und sie sind daher nicht notwendig oder kritisch.
Wie in den 2–9 gezeigt, umfasst die vorliegende Offenlegung ein System 200 zur Herstellung einer strahlengehärteten Struktur 201 wie z. B. einer Mikrofachwerkstruktur mit beispielsweise einer Vielzahl von Elementen 202. Beispielhafte Architekturen der Mikrofachwerkstruktur sind von Jacobsen in der. US-Pat.-Nr. 7 382 959 und der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/801 908 beschrieben. Wenngleich das System 200 hierin mit Bezug auf die Bildung von Mikrofachwerkstrukturen beschrieben sein mag, sollten Fachleute einsehen, dass auch andere strahlengehärtete Strukturen 201 innerhalb des Umfanges der vorliegenden Offenlegung hergestellt werden können.
Das System 200 umfasst ein strahlungsempfindliches Material 203 mit einem ersten Brechungsindex, eine Maske 204, die aus einem Maskenmaterial 206 mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, und eine Strahlenquelle 208, die ausgebildet ist, um eine Vielzahl von Strahlenbündeln 210 zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material 203 anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen und/oder zu zersetzen. Die strahlengehärtete Struktur 201 der vorliegenden Offenlegung kann aus dem strahlungsempfindlichen Material 203 gebildet sein, wie z. B. in der gleichzeitig anhängigen US-Pat.-Anmeldung Serien-Nr. 12/339 308 des Begünstigten beschrieben ist, deren vollständiger Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Die Maske 204 ist neben dem strahlungsempfindlichen Material 203 angeordnet und weit eine Vielzahl von darin gebildeten im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen 212 auf. Die Strahlenquelle 208 ist neben der Maske 204 dem strahlungsempfindlichen Material 203 gegenüberliegend angeordnet.
Es kann zumindest eine brechende Begrenzung 211 in dem System 200 vorhanden sein. Die brechende Begrenzung 211 ist hierin als eine beliebige Grenzfläche zwischen zwei Medien in dem System 200 definiert, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Das System 200 kann z. B. die brechende Begrenzung 211 an der Grenzfläche der Maske 204 mit dem strahlungsempfindlichen Material 203, an der Grenzfläche eines Prismas 226 (in den 2, 6, 7 und 9 gezeigt) mit Luft, an der Grenzfläche des Prismas 226 mit der Maske 204 und an der Grenzfläche der Maske 204 mit der Strahlenquelle 208, wo die Strahlenquelle 208 an der Maske 204 anliegt (nicht gezeigt), aufweisen. Es sollte einzusehen sein, dass die Strahlenbündel 210 gebeugt sein können, wenn sie die brechenden Begrenzungen 211 des Systems 200 in einem als Brechung bekannten Phänomen durchqueren.
Illustrativ können sich die Strahlenbündel 210 der brechenden Begrenzung 211 unter einem Einfallswinkel (α) relativ zu der Normalen zu einer durch die brechende Begrenzung 211 gebildeten Ebene nähern. Die Strahlenbündel 210 werden beim Durchqueren der brechenden Begrenzung 211 gemäß dem Snellius'schen Gesetz gebeugt, wie hierin oben beschrieben, und weisen einen Brechungswinkel (θ) relativ zu der Normalen zu der durch die brechende Begrenzung 211 gebildeten Ebene auf. Wenn der Brechungsindex des ersten Mediums kleiner ist als der Index für das zweite Medium, ist der Brechungswinkel (θ) kleiner als der Einfallswinkel (α) und er definiert letztlich den Winkel der strahlengehärteten Elemente 202 und die Geometrie der resultierenden strahlengehärteten Struktur 201 nach dem Nettoergebnis der Beugung an jeder brechenden Begrenzung 211.
Das strahlungsempfindliche Material 203 kann z. B. durch ein Verarbeitungssubstrat 214 getragen sein. Das Verarbeitungssubstrat 214 kann oben auf einer feststehenden Grundplatte 216 während des Herstellungsprozesses angeordnet sein. Das Substrat 214 kann ferner mit einer Beschichtung oder Oberflächenbehandlung (nicht gezeigt) zum Binden an und Trennen von der strahlengehärteten Struktur 201 nach der Herstellung davon aus dem strahlungsempfindlichen Material 203 versehen sein. Eine Rückseite des Substrats 214, die typischerweise auf der feststehenden Grundplatte 216 während der Herstellung der strahlengehärteten Struktur 201 angeordnet ist, kann auch eine Beschichtung aufweisen, um einer unerwünschten Kontamination des Substrats 214 entgegenzuwirken. Die feststehende Grundplatte 216 kann z. B. einen porösen Vakuumsaugkopf mit einer druckunterstützten Freigabe umfassen, um das Substrat 214 während des Herstellungsprozesses selektiv in Position zu halten. Ein Fachmann kann je nach Wunsch geeignete Oberflächenbehandlungen einschließlich Beschichtungen wählen.
Es sollte einzusehen sein, dass das strahlungsempfindliche Material 203 alternativ als ein frei stehender Film ohne Substrat 214 anstelle des Schrittes zur Bereitstellung des Verarbeitungssubstrats 214, wie hierin oben stehend beschrieben, vorgesehen sein kann.
Das strahlungsempfindliche Material 203 umfasst zumindest eines von einem strahlungshärtbaren Material und einem durch Strahlung zersetzbaren Material. Der Ausdruck „strahlungshärtbares Material” ist hierin als jedes Material definiert, dass durch Exposition gegenüber Strahlung angeregt und/oder polymerisiert und/oder vernetzt wird. Es sollte einzusehen, dass auch ein Temperaturanstieg verwendet werden kann, um eine Polymerisation oder Vernetzung der strahlungshärtbaren Materialien anschließend an eine Anregung durch Exposition gegenüber Strahlung zumindest teilweise zu vervollständigen. Der Ausdruck „durch Strahlung zersetzbares Material” ist hierin als jedes Material definiert, das das Aufschneiden des Polymergerüsts und/oder eine Entnetzung durch Exposition gegenüber Strahlung zeigt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das durch Strahlung zersetzbare Material lösungsmittellöslich durch ein ausreichendes Aufbrechen von Vernetzungen und/oder Aufschneiden des Polymergerüsts des durch Strahlung zersetzbaren Materials hergestellt sein.
Als nicht einschränkende Beispiele können die strahlungshärtbaren Materialien eines von einem flüssigen Photomonomer und einem im Wesentlichen festen strahlungshärtbaren Polymer umfassen. Das strahlungsempfindliche Material 203 kann ein flüssiges Photomonomer sein, wie von Jacobsen in der US-Pat.-Nr. 7 382 959 und der US-Anmeldung Serien-Nr. 11/801 908 beschrieben. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Photomonomeren umfassen Monomere, die über Polymerisation über eine freie radikalische Polymerisation poylmerisieren, wenn sie UV-Strahlung (einer Wellenlänge zwischen etwa 250 nm und etwa 400 nm) ausgesetzt sind. Das Photomonomer kann jedes geeignete Photomonomermaterial mit freien Radikalen wie z. B. Urethane (Polyurethane), Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie z. B. lichtgehärtete Epoxide umfassen. Geeignete flüssige Photomonomere können z. B. eine Verschiebung im Brechungsindex nach einer Photopolymerisation zeigen, um sich selbst fortpflanzende Wellenleiter bereitzustellen. Es können je nach Wunsch auch andere Photomonomere verwendet werden.
Geeignete im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere können Negativ-Resist-Polymere umfassen. Negativ-Resist-Polymere durchlaufen einen Photoinitiierungsprozess, der zu einem Aushärten des Negativ-Resist-Polymers, z. B. durch Polymerisation oder Polykondensation, führt. Wenn die Polymerisations- oder Polykondensationsreaktion im Wesentlichen gleichzeitig stattfindet, wird der Prozess als „lichtgehärtet” bezeichnet. Wenn nur die Reaktionsspezies durch den Photoinitiierungsprozess erzeugt wird und ein nachfolgender Schritt wie z. B. Erwärmen erforderlich ist, um die Polymerisation oder Polykondensation zu erzeugen, wird der Prozess als „photoinitiiert” bezeichnet. Es sollte einzusehen sein, dass selbst wenn eine Nachhärtungswärmebehandlung notwendig sein kann, um den Polymerisationsschritt abzuschließen, auch im Wesentlichen stabile strahlengehärtete Merkmale in dem Negativ-Photoresist-Polymer während der anfänglichen Strahlungsexposition erzeugt werden können. Die im Wesentlichen festen, strahlungshärtbaren Polymere können gerade den Initiierungsprozess durchlaufen und infolge der inhärenten Stabilität und der begrenzten Diffusionsrate der chemischen Spezies innerhalb der festen, strahlungshärtbaren Polymere kann der Härtungsprozess auch viel später ohne wesentliche Merkmalverschlechterung ausgeführt werden. Es sollte einzusehen sein, dass die meisten photoinitiierten Polymere den Härtungsprozess beim Einsetzen des Initiierungsprozesses beginnen, allerdings ist die Kinetik der Reaktion bei der Einwirktemperatur so langsam, dass nur eine geringe, wenn überhaupt eine Polymerisation oder Polykondensation stattfinden kann, bevor das Negativ-Resist-Polymer auf eine erwünschte Aushärtungstemperatur erwärmt wird.
Ein spezielles Negativ-Resist-Polymer ist das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000^TM auf Epoxidbasis, das im Handel von Microchem Corporation in Newton, Massachusetts erhältlich ist. Das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000^TM ist durch UV-Strahlung härtbar. Es sollte einzusehen sein, dass weitere im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere verwendet werden können. Zum Beispiel kann, ähnlich wie bei den oben beschriebenen Photomonomeren, das gewählte strahlungshärtbare Polymer je nach Wunsch mit Strahlung mit anderen Wellenlängen als UV-Strahlung gehärtet werden. Das strahlungshärtbare Polymer kann z. B. auch derart gewählt sein, dass es eine langsamere Härtungsgeschwindigkeit als das flüssige Photomonomer aufweist, um dem Auftreten von Merkmalen in der langsamer härtenden Schicht beim Ausgesetztsein der schneller härtenden Schicht gegenüber einer Strahlungsquelle entgegenzuwirken.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die durch Strahlung zersetzbaren Materialien Positiv-Resist-Polymere umfassen. Positiv-Resist-Polymere beginnen als vernetzte Polymere, können aber Photoinitiatoren enthalten, die, wenn sie einer bestimmten Strahlung ausgesetzt sind, chemische Spezies erzeugen, welche das Polymer zerlegen, indem sie die Vernetzungen aufbrechen und/oder das Polymergerüst spalten. Die Zerlegung macht das Positiv-Resist-Polymer in den Bereichen möglich, die der Strahlung ausgesetzt waren. Bereiche, in denen das Positiv-Resist-Polymer gehärtet bleibt, werden maskiert und nicht exponiert, wie im Fall der oben beschriebenen Negativ-Resist-Polymere. In bestimmten Ausführungsformen sind die Positiv-Resist-Polymere empfindlich gegenüber Strahlung, z. B. Ultraviolettstrahlung, ohne dass Photoinitiatoren notwendig sind. Zum Beispiel kann das Positiv-Resist-Polymer selbst durch die Strahlung beschädigt werden und die restlichen gespaltenen Ketten werden in einem Lösungsmittel löslich. Es können je nach Wunsch andere Arten von Positiv-Resist-Polymeren verwendet werden.
Das Maskenmaterial 206, das die Maske 204 bildet, ist ein im Wesentlichen strahlendurchlässiges Material, wie z. B Quarzglas. Die Durchbrechungen 212 können z. B. Löcher oder im Wesentlichen strahlendurchlässige Durchbrechungen sein, die in einer ansonsten lichtundurchlässigen, Strahlung blockierenden Beschichtung gebildet sind, welche auf dem Quarzglas angeordnet ist. In einer illustrativen Ausführungsform weist die Maske 204 eine Vielzahl von Durchbrechungen 212 auf. Als weitere nicht einschränkende Beispiele kann das Maskenmaterial 206 Kronglas, Pyrex-Glas oder Polyethylen-Terephthalat wie z. B. einen Mylar^®-Film umfassen. Die Maske 204 kann nach einer Exposition weggehoben und zur erneuten Verwendung gereinigt werden. Die Durchbrechungen 212 können Formen besitzen, welche die Strahlenbündel 210 und damit die strahlengehärteten Elemente 202 mit gewünschten Querschnittsformen versehen. Die Durchbrechungen 212 können z. B. im Wesentlichen kreisförmig sein, um die Bildung von strahlengehärteten Elementen 202 mit elliptischen Querschnittsformen zur Folge zu haben. Ein Fachmann kann je nach Wunsch geeignete Maskenmaterialien, Durchbrechungsgrößen und -formen und resultierende strukturelle Konfigurationen wählen.
Die Strahlenquelle 208 erzeugt elektromagnetische Strahlung. Die Strahlenbündel 210, die verwendet werden, um das strahlungsempfindliche Material 203 zu härten, können z. B. mit einer Quecksilberdampflampe erzeugt werden, die ultraviolette (UV)-Strahlenbündel 210 bereitstellt. Ein Fachmann sieht ein, dass auch Strahlenbündel 210 mit anderen Wellenlängen wie z. B. Infrarot-, sichtbare und Röntgenstrahlung und von anderen Quellen wie z. B. Glühlampenlicht und Laser verwendet werden können. Es sollte ferner einzusehen sein, dass die Strahlenbündel 210 je nach Wusch kollimiert, teilweise kollimiert oder nicht kollimiert sein können. Es sollte ferner einzusehen sein, dass die Strahlenquelle 208 für das vorliegende System 200 im Wesentlichen monochromatische Strahlenbündel 210 bereitstellen kann, die kollimiert bleiben, nachdem sie durch normalisierende Flächen wie. z. B. Prismen oder facettierte Masken (in den 2, 4 und 6 bis 9 gezeigt) hindurch gelaufen sind.
Unter Bezugnahme auf 2 kann das System 200 zumindest eine normalisierende Fläche 224 umfassen, die zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 angeordnet ist. Die normalisierende Fläche 224 ist ausgebildet, um zuzulassen, dass die Strahlenbündel 210 von der Strahlenquelle 208 die normalisierende Fläche 224 im Wesentlichen normal relativ zu einer durch die normalisierende Fläche 224 definierten Ebene schneiden. Die normalisierende Fläche 224 kann ausgebildet sein, um zuzulassen, dass die Strahlenbündel 210 die normalisierende Fläche 224 unter einem Winkel relativ zu der Normalen schneiden, der kleiner ist als ein Winkel, unter dem die Strahlenbündel 210 eine Fläche der Maske 204 bei Nichtvorhandensein der normalisierenden Fläche 224 schneiden würden. Wie in 2 gezeigt, kann die zumindest eine normalisierende Fläche 224 durch ein Prisma 226 bereitgestellt sein. Illustrativ ist das Prisma 226 aus einem im Wesentlichen strahlendurchlässigen Material wie z. B. Quarzglas gebildet. Das Prisma 226 kann ein Prisma mit einer geometrischen dreieckigen oder rechteckigen Pyramidenform sein, wenngleich auch optische Prismen mit anderen Formen verwendet werden können. Die rechteckige Pyramidenform kann auf Grund der einfachen Herstellung besonders vorteilhaft sein. Es können auch andere strahlendurchlässige Materialien verwendet werden. Es sollte einzusehen sein, dass die Maske 204 integral mit dem Prisma 226 gebildet sein kann, um zu verhindern, dass sich Lufttaschen dazwischen bilden.
In einer speziellen Ausführungsform kann das Prisma 226 vier normalisierende Flächen 224 umfassen, die ausgebildet sind, um zuzulassen, dass die Strahlenbündel 210 die normalisierenden Flächen 224 unter einem Winkel im Wesentlichen rechtwinklig dazu schneiden. Es sollte einzusehen sein, dass je nach Wunsch eine beliebige Anzahl von normalisierenden Flächen 224 verwendet werden kann. Die Brechung der Strahlenbündel 210 an der brechenden Begrenzung 211 zwischen der Strahlenquelle 208 und dem Maskenmaterial 206 und insbesondere zwischen der Luft und dem Maskenmaterial 206 kann dadurch minimiert werden.
Wie in 3 gezeigt, kann das System 200 der vorliegenden Offenlegung ein brechendes Fluid 218 umfassen. Das brechende Fluid 218 weist einen dritten Brechungsindex auf. Der dritte Brechungsindex kann derart gewählt sein, dass er eine Änderung im Brechungsindex an der brechenden Begrenzung 211, z. B. zwischen der Luft und der Maske 204 oder zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 minimiert. Der dritte Brechungsindex ist wünschenswerterweise in der Lage, eine Differenz zwischen dem Einfallswinkel (α) und dem Brechungswinkel (θ) der Strahlenbündel 210 zu minimieren, wenn sie die brechende Begrenzung 211 durchqueren. In einer speziellen Ausführungsform ist der dritte Brechungsindex derart gewählt, dass er den kritischen Winkel (θ_c) minimiert und die Herstellung von strahlengehärteten Elementen 202 mit Merkmalen mit erwünschten großen Winkeln in Bezug auf die Normale zu erleichtert.
Als nicht einschränkende Beispiele kann der dritte Brechungsindex (brechendes Fluid 218) zumindest einer zwischen dem ersten Brechungsindex (strahlungsempfindliches Material 203) und dem zweiten Brechungsindex (Maske 204) liegen, im Wesentlichen der gleiche wie der erste Brechungsindex sein, und zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem zweiten Brechungsindex liegen. Für eine erwünschte Toleranzregelung kann der dritte Brechungsindex insbesondere im Wesentlichen der gleiche sein wie der erste Brechungsindex, wenn das strahlungsempfindliche Material 203 gegen einen Vakuumsaugkopf gezogen wird. Das brechende Fluid 218 kann aus einem beliebigen, im Wesentlichen strahlendurchlässigen Fluid gewählt sein, welches den erwünschten dritten Brechungsindex aufweist. Das brechende Fluid 218 ist auch derart gewählt, dass es das strahlungsempfindliche Material 203 und die Maske 204 während der Herstellung der strahlengehärteten Struktur 201 nicht wesentlich löst oder abbaut. Das brechende Fluid 218 kann z. B. Wasser und/oder eine wässrige Zuckerlösung und/oder Aceton und/oder ein Mineralöl umfassen. Ein Fachmann kann je nach Wunsch andere geeignete brechende Fluide 218 wählen.
In einer Ausführungsform kann das brechende Fluid 218 zwischen der Maske 204 und der Strahlenquelle 208 angeordnet sein. Wie in 3 illustrativ gezeigt, kann das brechende Fluid 218 zwischen der Maske 204 und der Strahlenquelle 208 angeordnet werden, indem die Maske 204 und die Strahlenquelle 208 zumindest teilweise in ein Reservoir 220 des brechenden Fluids 218 getaucht werden. Man hat festgestellt, dass auch die dünne Schicht aus Luft, die sich an der brechenden Begrenzung 211 zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 befindet, ausreichen kann, um den kritischen Winkel (θ_c) zu begrenzen und somit die Winkel von Merkmalen in der resultierenden strahlengehärteten Struktur 201 zu begrenzen. Das brechende Fluid 218 ersetzt wünschenswerterweise jegliche restliche Luft, die ansonsten zwischen dem strahlungsempfindlichen Material 203 und der Maske 204 vorhanden wäre.
Es sollte einzusehen sein, dass, wenn das System 200 das brechende Fluid 218 zwischen der Maske 204 und der Strahlenquelle 208 angeordnet aufweist, das brechende Fluid 218 wünschenswerterweise derart gewählt sein kann, dass es den dritten Brechungsindex aufweist, der dem zweiten Brechungsindex ähnlich ist. Im Speziellen kann das brechende Fluid 218 derart gewählt sein, dass es den dritten Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen der gleiche ist wie der zweite Brechungsindex. Die Brechung der Strahlenbündel 210 an den brechenden Begrenzungen 211 zwischen der Strahlenquelle 208 und dem Maskenmaterial 206 und zwischen dem Maskenmaterial 206 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 kann dadurch minimiert werden.
Um potenziellen Wärmeübertragungsproblemen in Verbindung damit, dass die Strahlenquelle 208 in dem brechenden Fluid 218 eingetaucht ist, entgegenzuwirken, kann die Strahlenquelle 208 mit einer Linse 222 gekoppelt sein. Die Linse 222 weist eine Dicke auf, die ausreicht, damit die Linse 222 zumindest teilweise in dem brechenden Fluid 218 eingetaucht ist und der Großteil der Strahlenquelle 208 trocken über dem Reservoir 220 bleibt. Die Linse 222 kann parallele Seiten im Wesentlichen normal zu den Strahlenbündeln 210 aufweisen und ist zumindest teilweise in dem Reservoir 220 des brechenden Fluids 218 eingetaucht. Die Linse 222 ist illustrativ aus einem im Wesentlichen strahlendurchlässigen Material wie z. B. Quarzglas gebildet. Es können auch andere geeignete strahlendurchlässige Materialien verwendet werden. Die Linse 222 kann einen Brechungsindex aufweisen, der im Wesentlichen der gleiche ist wie der Brechungsindex des brechenden Fluids 218. Es sollte ferner einzusehen sein, dass jeder Brechungsindex der Linse 222 akzeptabel sein kann, wenn der Einfallswinkel (α) annähernd null beträgt. Es sollte einzusehen sein, dass, wenn die Linse 222, z. B. absichtlich oder auf Grund der Toleranz, geringfügig rotiert werden sollte, ein geringfügiger Vorteil durch übereinstimmende Brechungsindizes vorhanden ist. Die Linse 222 kann dadurch einer Brechung der Strahlenbündel 210 an der brechenden Begrenzung 211 zwischen der Linse 222 und dem brechenden Fluid 218 entgegenwirken. Die Linse 222 kann ferner ausgebildet sein, um zuzulassen, dass die Strahlenbündel 210 unter einem Winkel im Wesentlichen normal relativ zu der Begrenzung durch die brechende Begrenzung 211 hindurch gelangen, die durch das brechende Fluid 218 und die Linse 222 gebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, weist die Maske 204 eine Vielzahl von darin gebildeten Facetten 228 auf, welche die normalisierenden Flächen 224 bereitstellen. Die Maske 204 kann in separaten Abschnitten, z. B. in Form einer Fresnelllinse, gebildet sein, um die Vielzahl von Facetten 228 bereitzustellen. Die Vielzahl von Facetten 228 kann in die Oberfläche der Maske 204 gepresst oder geschnitten sein. Die relativen Winkel der Facetten 228 können die gleichen oder verschiedene über die Oberfläche der Maske 204 hinweg sein und können je nach Wunsch gewählt sein. Im Speziellen sind die Facetten 228 ausgebildet, um die Beugung der Strahlenbündel 210 an der brechenden Begrenzung 211 zwischen der Strahlenquelle 208 und dem Maskenmaterial 206 und insbesondere zwischen der Luft und den Facetten 28 zu minimieren.
Unter Bezugnahme auf 5 kann das brechende Fluid 218 in der Form einer Schicht zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 angeordnet sein. Das brechende Fluid 218 kann z. B. auf das strahlungsempfindliche Material 203 aufgebracht werden, bevor die Maske 204 oben auf dem strahlungsempfindlichen Material 203 angeordnet wird. Als ein nicht einschränkendes Beispiel sollte einzusehen sein, dass, wenn das System 200 das zwischen dem strahlungsempfindlichen Material 203 und der Maske 204 angeordnete brechende Fluid 218 umfasst, das brechende Fluid 218 derart gewählt sein, dass es den dritten Brechungsindex zwischen dem ersten Brechungsindex des strahlungsempfindlichen Materials 203 und dem zweiten Brechungsindex des Maskenmaterials 206 aufweist. Es sollte ferner einzusehen sein, dass der dritte Brechungsindex wünschenswerterweise im Wesentlichen der gleiche sein kann wie der erste Brechungsindex. In speziellen Ausführungsformen kann das brechende Fluid 218 je nach Wunsch derart gewählt sein, dass es den dritten Brechungsindex aufweist, der größer oder kleiner als jeder von dem ersten und dem zweiten Brechungsindex ist. Eine Brechung der Strahlenbündel 210 an der brechenden Begrenzung 211 des strahlungsempfindlichen Materials 203 und des Maskenmaterials 206 kann dadurch minimiert werden und dadurch ein gewünschter Winkel des Mikrofachwerkelements 202 produziert werden.
Wie in den 6–8 gezeigt, kann das System 200 mit der normalisierenden Flächen 224 in Verbindung mit dem brechenden Fluid 218 verwendet werden, um die Brechung der Strahlenbündel 210 im gesamten System 200 zu minimieren und den kritischen Winkel (θ_c) an den brechenden Begrenzungen 211 zu maximieren. Unter spezieller Bezugnahme auf 6 kann das System 200 das Prisma 226, das oben auf der Maske 204 angeordnet ist, und die Schicht von brechendem Fluid 218, die zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 angeordnet ist, umfassen. Wie in 7 weiter gezeigt, kann das System 200 das Prisma 226, das strahlungsempfindliche Material 203 und die Maske 204 umfassen, die zumindest teilweise in dem Reservoir 220 des brechenden Fluids 218 eingetaucht sind. Das brechende Fluid 218 zwischen dem Prisma 226 und der Maske 204 wirkt wünschenswerterweise dem Vorhandensein eines mit Luft gefüllten Spalts dazwischen entgegen, der die brechende Begrenzung 211 andernfalls mit einem unerwünschten kritischen Winkel (θ_c) versehen würde. Wie auch in 8 gezeigt, kann das System 200 die Maske 204 mit der Vielzahl von Facetten 228 und die Schicht von brechendem Fluid 218, die zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 angeordnet ist, umfassen.
Die vorliegende Offenlegung umfasst ein Verfahren zur Herstellung der strahlengehärteten Struktur 201. Das Verfahren umfasst zuerst den Schritt, dass das strahlungsempfindliche Material 203 mit einem ersten Brechungsindex, die Maske 204, die aus dem Maskenmaterial 206 mit dem zweiten Brechungsindex gebildet ist, und die Strahlenquelle 208, die ausgebildet ist, um die Strahlenbündel 210 zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material 203 anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen und/oder zu zersetzen, vorgesehen werden. Die Maske 204 weist die Vielzahl von strahlendurchlässigen Durchbrechungen 212 auf und wird zwischen dem strahlungsempfindlichen Material 203 und der Strahlenquelle 208 angeordnet.
Das Verfahren der vorliegenden Offenlegung verwendet Schritte, welche die dispersive Brechung und innere Totalreflexion der Strahlenbündel 210 an den verschiedenen brechenden Begrenzungen 211 innerhalb des Systems 200 verhindern. Das Verfahren umfasst z. B. zumindest einen der Schritte, dass a) zumindest eine normalisierende Fläche 224 zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 angeordnet wird, b) das brechende Fluid 218 zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 angeordnet wird, und c) das brechende Fluid 218 zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 angeordnet wird. Der Schritt zum Anordnen des brechenden Fluids 218 zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 kann den Schritt umfassen, dass die Strahlenquelle 208 und/oder die Maske 204 und/oder das strahlungsempfindliche Material 203 zumindest teilweise in dem Reservoir 220 des brechenden Fluids 218 eingetaucht wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt zum Anordnen des brechenden Fluids 218 zwischen der Maske 204 und dem strahlungsempfindlichen Material 203 den Schritt umfassen, dass die Schicht von dem brechenden Fluid 218 auf dem strahlungsempfindlichen Material 203 aufgebracht wird, bevor die Maske 204 daneben angeordnet wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt zum Anordnen der zumindest einen normalisierende Fläche 224 zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 den Schritt umfassen, dass das Prisma 226 oben auf der Maske 204 angeordnet wird. Alternativ kann der Schritt zum Anordnen der zumindest einen normalisierende Fläche 224 zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 den Schritt umfassen, dass die Maske 204 mit der Oberfläche versehen wird, welche die Vielzahl von Facetten 228 aufweist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt zum Anordnen des brechenden Fluids 218 zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204 den weiteren Schritt, dass das brechende Fluid 218 zwischen der Maske 204 und dem Prisma 226 angeordnet wird. Ein Fachmann sollte einsehen, dass die verschiedenen beschriebenen Schritte, um die dispersive Brechung und innere Totalreflexion der Strahlenbündel 210 innerhalb des Systems 200 zu verhindern, innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
Das strahlungsempfindliche Material 203 wird anschließend der Vielzahl von Strahlenbündeln 210 durch die strahlendurchlässigen Durchbrechungen 212 in der Maske 204 hindurch ausgesetzt. Dadurch wird die strahlengehärtete Struktur 201 mit den strahlengehärteten Elementen 202 gebildet. Es sollte einzusehen sein, dass in Übereinstimmung dem vorliegenden Verfahren eine Vielfalt an strahlengehärteten Elementen 202, welche Fachwerkelemente, strahlengehärtete Platten und feste, strahlengehärtete Polymerstrukturen umfassen, gebildet sein kann.

Das brechende Fluid 218 kann z. B. derart gewählt sein, dass es den dritten Brechungsindex aufweist, der eng mit den Brechungsindizes der benachbarten Medien wie z. B. des strahlungsempfindlichen Materials 203 und des Maskenmaterials 206 übereinstimmt. Als nicht einschränkende Beispiele können das strahlungsempfindliche Material 203 und die brechenden Fluide 218 auf der Basis der jeweiligen Brechungsindizes gewählt sein, die in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt sind. Tabelle 1

Medium	Brechungsindex
Luft	1,000
Wasser	1,333
Aceton	1,360
Kieselglas	1,458
Quarzglas	1,460
Tetrachlorkohlenstoff	1,461
Pyrex-Glas	1,470
Zucker in Wasser, 80%	1,490
Zucker in Wasser, 85%	1,503
Flüssiges Photomonomer	1,510
Kronglas	1,520
Festes Photomonomer	1,556
PET	1,575
SU-8 Photoresist	1,590

In bestimmten Ausführungsformen ist das brechende Fluid 218 derart gewählt, dass es den dritten Brechungsindex zwischen dem ersten Brechungsindex des strahlungshärtbaren Materials 203 und Luft aufweist. Wenn das strahlungsempfindliche Material 203 z. B. der SU-8 Photoresist (mit einem Brechungsindex von etwa 1,590) ist und das Maskenmaterial 206 Quarzglas (mit einem Brechungsindex von etwa 1,460) ist, kann eine achtzigprozentige (80%) Zuckerwasserlösung (mit einem Brechungsindex von etwa 1,490) zum Anordnen als das brechende Fluid 218 zwischen den strahlungshärtbaren Materialien 203 und dem Maskenmaterial 206 gewählt sein. Die Zuckerwasserlösung verdrängt jegliche Luft, die sich andernfalls zwischen den strahlungshärtbaren Materialien 203 und dem Maskenmaterial 206 befinden würde.
Das brechende Fluid 218 kann derart gewählt sein, dass es den dritten Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen der gleiche ist wie der erste Brechungsindex. Wenn das strahlungsempfindliche Material 203 z. B. ein flüssiges Photomonomer (mit einem Brechungsindex von etwa 1,510) ist, kann eine fünfundachtzigprozentige (85%) Zuckerwasserlösung (mit einem Brechungsindex von etwa 1,503) zum Anordnen neben dem strahlungsempfindlichen Material 203 gewählt sein.
Das brechende Fluid 218 kann auch derart gewählt sein, dass es den dritten Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem zweiten Brechungsindex aufweist. Wenn das Maskenmaterial 206 z. B. Kronglas (mit einem Brechungsindex von etwa 1,520) ist, kann Wasser (mit einem Brechungsindex von etwa 1,333) zum Anordnen zwischen der Strahlenquelle 208 und der Maske 204, die voneinander beabstandet sind, gewählt sein. Im Speziellen kann die Strahlenquelle 208 zumindest teilweise in dem Wasser eingetaucht sein, um die Brechung der durch die Strahlenquelle 208 erzeugten Strahlenbündel 210 zu minimieren.
Das vorliegende Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, dass der Winkel der normalisierende Fläche 224 gewählt wird, um zuzulassen, dass die Strahlenbündel 210 unter einem Winkel im Wesentlichen rechtwinklig zu der normalisierenden Fläche 224 mit der normalisierenden Fläche 224 in Kontakt treten. Das Verfahren kann auch den Schritt umfassen, dass der Winkel der normalisierende Fläche 224 gewählt wird, um zuzulassen, dass die Strahlenbündel 210 unter einem Winkel in Bezug auf die Normale mit der normalisierenden Fläche 224 in Kontakt treten, der kleiner ist als ein Winkel, unter dem die Strahlenbündel 210 andernfalls, bei Nichtvorhandensein der normalisierenden Fläche 224, in Kontakt treten würden. Die Brechung der Strahlenbündel 210, während sie durch die normalisierende Fläche 224 hindurch gelangen, und die Differenz zwischen dem Einfallswinkel (α) und dem Brechungswinkel (θ) des strahlengehärteten Elements 202 können dadurch minimiert werden.
Beispiel
Das folgende Beispiel ist rein illustrativ und beschränkt in keiner Weise den beschriebenen und beanspruchten Schutzumfang der Offenlegung.
Die strahlengehärtete Struktur 201 mit zumindest einem strahlengehärteten Element 202 mit einem Winkel von etwa siebzig Grad (70°) relativ zu der Normalen der Ebene der brechenden Begrenzung 211 ist gemäß dem vorliegenden Beispiel hergestellt. Um dispersive Prismeneffekte zu verhindern, die an jeder brechenden Begrenzung 211, selbst auf parallelseitigen Körpern, auftreten können, sind die Brechungsindizes zwischen den verschiedenen Medien so eng wie möglich übereingestimmt, und wo eine Differenz im Brechungsindex unvermeidbar ist, werden die Strahlenbündel 210 dazu gebracht, die brechende Begrenzung 211 unter einem Winkel etwa normal zu der brechenden Begrenzung 211 zu durchqueren.
Das strahlungsempfindliche Material 203 ist der SU-8 Negativ-Photoresist. Der SU-8 Negativ-Photoresist weist eine aus Kronglas gebildete Maske 204 auf, die darauf angeordnet ist. Eine Schicht von brechendem Fluid 218, die aus einer Zuckerwasserlösung besteht, ist zwischen dem SU-8 und der Kronglasmaske 204 und dem Prisma 226 angeordnet. Die Strahlenquelle 208 ist von der Maske 204 beabstandet. Es sind drei unterschiedliche brechende Begrenzungen 211 an den Grenzflächen der verschiedenen Medien mit verschiedenen Brechungsindizes, wie in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt, gebildet. Tabelle 2

Medium Brechungsindex Winkel rel. zu Normale

SU-8 1,590 70,0

Zucker in Wasser, 85% 1,503 83,8

Kronglas 1,520 79,4

Luft 1,000 0,0
Wie in Tabelle 2 und in 9 gezeigt, wird ein Prisma 226 mit einer normalisierenden Fläche 214, z. B. unter einem Winkel von etwa 10,6 Grad relativ zu der brechenden Begrenzung 211, verwendet. Strahlenbündel 210, die von der Strahlenquelle 208 durch die Luft hindurch gelangen, schneiden die durch die Luft und das Kronglas gebildete brechende Begrenzung 211 unter dem Einfallswinkel (α) von etwa 0° relativ zu der Normalen. Der Brechungswinkel (θ) der Strahlenbündel 210 nach dem Durchqueren der brechenden Begrenzung 211 in das Kronglas hinein bleibt bei etwa 0° relativ zu der Normalen zu der brechenden Begrenzung 211. Es wird ein Prisma 226 mit einer normalisierenden Fläche 224, z. B. unter einem Winkel von etwa 10,6 Grad relativ zu der brechenden Begrenzung 211, verwendet, um den Einfallswinkel (α) von etwa 73,8° relativ zu der Normalen zu der brechenden Begrenzung 211 vorzusehen. Wenn die Strahlenbündel 210 durch das Prisma 226 hindurch zu der Maske 204 gelangen, beträgt der Brechungswinkel (θ) etwa 79,4° relativ zu der Normalen zu der brechenden Begrenzung 211 an der Kronglas/Zuckerwasser-Grenzfläche.
Die Zuckerwasserlösung verdrängt jegliche Luft, die sich andernfalls zwischen dem Kronglas und dem SU-8 Negativ-Photoresist befinden würde.
Da die Brechungsindizes des Kronglases und der Zuckerwasserlösung ähnlich sind, beträgt der Brechungswinkel (θ) etwa 83,8° relativ zu der Normalen zu der brechenden Begrenzung 211, nachdem die Strahlenbündel 210 in die Zuckerwasserlösung hinein queren. Es ist zu erwarten, dass beim Queren der Strahlenbündel 210 in den SU-8 Negativ-Photoresist hinein der Brechungswinkel (θ) und damit der Winkel des strahlengehärteten Elements 202 etwa 70° relativ zu der Normalen zu der brechenden Begrenzung 211 beträgt. Die Bildung von Strahlenbündeln 210 mit einem großen Winkel und diesbezüglicher strahlengehärteter Elemente 202 mit Winkeln von mehr als etwa 45° und insbesondere mehr als etwa 60° relativ zu der Normalen zu der brechenden Begrenzung 211 ist dadurch erleichtert.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass der Ansatz der vorliegenden Offenlegung, zusätzlich zur Erleichterung der Herstellung der strahlengehärteten Strukturen 201 mit Merkmalen mit großen Winkeln, die Produktion von Strukturen unter Winkeln erleichtert, die mit der bisher bekannten Methodik nur in kleinem Rahmen realisierbar waren. Es sollte einzusehen sein, dass, da sich der kritische Winkel (θ_c) von den Brechungsindizes für die anfänglichen und letzten optischen Medien wie z. B. Luft und dem strahlungsempfindlichen Material 203 oder dem Maskenmaterial 206 herleitet, der Beschränkung des kritischen Winkels (θ_c) entgegengewirkt werden kann, indem das brechende Fluid 218 durch Luft ersetzt wird. Das System 200 und das Verfahren sind derart aufgebaut, dass die Brechungsindizes zwischen den brechenden Begrenzungen 211 wie z. B. zwischen dem strahlungsempfindlichen Material 203 und dem Maskenmaterial 206 minimiert sein können. Das System 200 ist auch derart aufgebaut, dass die Strahlenbündel 210 unter Winkeln durch die brechenden Begrenzungen 211 des Systems 200 hindurch gelangen, die wünschenswerterweise knapp an der Normalen liegen, um dadurch die dispersive Brechung und Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in den Indizes (z. B. auf Grund von Änderungen in der Temperatur, dem Druck und der relativen Feuchtigkeit z. B. der Luft), den Strahlenbündeln 210 und dem diesbezüglichen kritischen Winkel (θ_c) weiter zu minimieren. TIR-Bedingungen sind dadurch gemildert.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7382959 [0002, 0025, 0032]
US 6274288 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed from self-propagating truss elements”, Acta Materialia 55, (2007) 6724–6733 [0002]

Claims

System zur Herstellung einer strahlengehärteten Struktur, umfassend: ein strahlungsempfindliches Material mit einem ersten Brechungsindex; eine Strahlenquelle, die ausgebildet ist, um eine Vielzahl von Strahlenbündeln zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen und/oder zu zersetzen; und eine Maske, die zwischen dem strahlungsempfindlichen Material und der Strahlenquelle angeordnet ist, wobei die Maske eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen aufweist, wobei die Maske aus einem Maskenmaterial mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, und wobei a) zumindest eine normalisierende Fläche zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet ist, und/oder b) ein brechendes Fluid mit einem dritten Brechungsindex zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet ist, und/oder c) das brechende Fluid mit dem dritten Brechungsindex zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Prisma, das neben der Maske angeordnet ist, wobei das Prisma zumindest eine normalisierende Fläche aufweist.
System nach Anspruch 2, wobei das Prisma, das strahlungsempfindliche Material und die Maske zumindest teilweise in dem brechenden Fluid eingetaucht sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Maske eine Vielzahl von Facetten aufweist, welche die zumindest eine normalisierende Fläche bereitstellen.
System nach Anspruch 1, wobei das brechende Fluid eine Schicht zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material bildet.
System nach Anspruch 1, wobei das strahlungsempfindliche Material und die Maske in dem brechenden Fluid eingetaucht sind.
System nach Anspruch 6, wobei die Strahlenquelle zumindest teilweise in dem brechenden Fluid eingetaucht ist.
System nach Anspruch 7, wobei die Strahlenquelle eine Linse mit parallelen Seiten im Wesentlichen normal zu den Strahlenbündeln aufweist, wobei die Linse zumindest teilweise in dem brechenden Fluid eingetaucht ist.
Verfahren zur Herstellung einer strahlengehärteten Struktur, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein strahlungsempfindliches Material mit einem ersten Brechungsindex, eine Maske mit einer Vielzahl von im Wesentlichen strahlendurchlässigen Durchbrechungen, wobei die Maske aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex gebildet ist, und eine Strahlenquelle, die ausgebildet ist, um von Strahlenbündel zu erzeugen, um das strahlungsempfindliche Material anzuregen und/oder zu polymerisieren und/oder zu vernetzen, vorgesehen werden; eine Maske zwischen dem strahlungsempfindlichen Material und der Strahlenquelle angeordnet wird; a) zumindest eine normalisierende Fläche zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet wird, und/oder b) ein brechendes Fluid mit einem dritten Brechungsindex zwischen der Strahlenquelle und der Maske angeordnet wird, und/oder c) das brechende Fluid mit dem dritten Brechungsindex zwischen der Maske und dem strahlungsempfindlichen Material angeordnet wird; und die strahlungsempfindlichen Materialien einer Vielzahl von Strahlenbündeln durch die strahlendurchlässigen Durchbrechungen in der Maske hindurch ausgesetzt werden, wodurch die strahlengehärtete Struktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend den Schritt, dass das brechende Fluid derart ausgewählt wird, dass es einen von dem dritten Brechungsindex zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der dritte Brechungsindex im Wesentlichen der gleiche ist wie der erste Brechungsindex und der dritte Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem zweiten Brechungsindex liegt.